सीसीडी शासक: इसे किसके साथ खाया जाता है

इस लेख में मैं एक रैखिक सीसीडी फोटोडेटेक्टर का उपयोग करने में अपना अनुभव प्रस्तुत करना चाहता हूं। इस तरह की सीसीडी लाइन का उपयोग एक मेकशिफ्ट स्पेक्ट्रोमीटर, बारकोड रीडर, पोजीशन सेंसर या लेजर बीम के विचलन, फोटो या फिल्म के लिए एक स्कैनर, और बहुत कुछ के डिजाइन में किया जा सकता है। मेरे मामले में, यह एक लेजर स्कैनर था, जिसका मैं नेटवर्क पर वर्णन नहीं कर सकता।

चार्ज-युग्मित डिवाइस क्या है?

अक्सर, जब सीसीडी के बारे में बात करते हैं, तो उनका मतलब विभिन्न फोटोडेटेक्टर्स होता है। कम सामान्यतः, ये मेमोरी डिवाइस हैं: शिफ्ट रजिस्टर, विलंब लाइनें। संक्षेप में, यह उपकरण कुछ हद तक बेलनाकार चुंबकीय डोमेन पर मेमोरी की याद दिलाता है, केवल सिलिकॉन पर - इलेक्ट्रोड की एक प्रणाली द्वारा बनाई गई विद्युत क्षेत्र की यात्रा तरंग की सहायता से, चार्ज वाहक के क्लैंप जो किसी तरह से पहले अर्धचालक के माध्यम से चलते हैं। इस प्रकार, हमें एक बदलाव रजिस्टर मिलता है जिसमें एक अत्यंत सरल संरचना होती है और यह न केवल डिजिटल इकाइयों और शून्य के अनुक्रम को याद करने में सक्षम है, बल्कि एक एनालॉग सिग्नल भी है।

सीसीडी छवि रिसीवरों में, इस संरचना की यह क्षमता है जो संरचना के प्रत्येक पिक्सेल के तहत संचित प्रभार को क्रमिक रूप से आउटपुट करने के लिए उपयोग की जाती है। इसके अलावा, एक्सपोज़र के दौरान आवेशों को स्थानांतरित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला समान गेट सिस्टम संभावित कुएँ बनाता है जिसमें ये आवेश जमा होते हैं (या ये छिद्र संरचना के निर्माण के दौरान निर्मित होते हैं - MOS ट्रांजिस्टर के निर्मित और प्रेरित चैनलों के समान)। अधिक जटिल संरचनाओं में एक प्रतिरोधक द्वार शामिल होता है, जिसके साथ एक चिकनी संभावित ढलान बनती है (यह है कि हमामत्सु S11155 सीसीडी लाइनों की व्यवस्था की जाती है), साथ ही चार्ज संचय और हस्तांतरण क्षेत्रों का पृथक्करण - पूरी लाइन के संचित प्रभार पहले बफर लाइन में स्थानांतरित होते हैं और फिर बाद में उन्नत होते हैं। आखिरी के साथ बाहर निकलें।
आंतरिक संरचना की सादगी इसे प्रबंधित करने की जटिलता में तब्दील हो जाती है। यहां तक ​​कि सीसीडी लाइन के सबसे सरल संस्करण के लिए एक दूसरे के सापेक्ष स्थानांतरित शिफ्ट किनारों (1000 पीएफ या अधिक के उच्च इनपुट समाई के साथ) के साथ विभिन्न वोल्टेज स्तरों के साथ जटिल आकार के दो या तीन चरण के संकेत की पीढ़ी की आवश्यकता होती है। हमामत्सु S11155 प्रकार के शासकों को शून्य के दोनों तरफ उच्च और निम्न वोल्टेज के विभिन्न स्तरों के साथ आठ अलग-अलग संकेतों की आवश्यकता होती है।
सौभाग्य से, कुछ कंपनियों (उदाहरण के लिए, सोनी) ने एक लाइन जारी की जिसमें यह सारी जटिलता सीधे चिप पर बनती है। और उनके काम के लिए, आपको केवल दो सिग्नल उत्पन्न करने की आवश्यकता है: खुलने की अवधि के लिए इलेक्ट्रॉनिक शटर, और घड़ी। हमारे डिजाइन में, यह बिल्कुल ILX554 लाइन है: यह (एक नियम के रूप में, उपयोग किया जाता है, लेकिन काफी कार्यात्मक) अलिएक्सप्रेस पर चीनी से खरीदना आसान है।

चलो डेटाशीट को देखते हैं

और हम देखते हैं कि 22 में से केवल 6 पिन शामिल हैं। ये + 5 वी बिजली आपूर्ति, आरओजी और सीएलके इनपुट सिग्नल, वाउट आउटपुट सिग्नल, एसएचएसडब्ल्यू मोड सेलेक्ट इनपुट और ग्राउंड हैं। और वह सब है।
आरओजी इलेक्ट्रॉनिक शटर कंट्रोल है (और फोटोन्सिटिव लाइन से डायरेक्ट शिफ्ट रजिस्टर में चार्ज ट्रांसफर की शुरुआत)। उसका एक सक्रिय स्तर है - शून्य। मैट्रिक्स को उजागर करने के लिए, इसे शून्य से दबाया जाना चाहिए और जब तक आवश्यक हो - 5 सेकंड से कई सेकंड तक आयोजित किया जाना चाहिए। और फिर, जाने दें, कम से कम 3 μs प्रतीक्षा करें (इस समय के दौरान, चार्ज ट्रांसफर सर्किट बाहर काम करता है)। इस समय सीएलके के प्रवेश पर हम एक उच्च स्तर रखते हैं। और फिर आप लाइन को पढ़ सकते हैं, सीएलके इनपुट पर एक मेन्डंडर लगा सकते हैं, जिसमें कई टन किलोहर्ट्ज़ से 2 मेगाहर्ट्ज तक आवृत्ति होती है। इस स्थिति में, एकता से शून्य तक प्रत्येक अंतर पर, अगले पिक्सेल को आउटपुट पर धकेल दिया जाएगा। लाइनअप में 2088 ऐसे पिक्सेल हैं, जिनमें से 2048 काम कर रहे हैं, सहज (वास्तव में, यह कई गुना अधिक है, लेकिन सबसे बाहरी पिक्सेल आंशिक रूप से अस्पष्ट हैं)। डेटशीट सही ऑपरेशन के लिए मैट्रिक्स में कम से कम 2090 सीएलके दालों को लागू करने की सिफारिश करता है।
और इसे कैसे धकेला जाएगा यह SHSW के इनपुट पर निर्भर करता है। यदि यह एक तार्किक इकाई है, तो आउटपुट एक जटिल संकेत का उत्पादन करेगा:

इसके अलावा, जब सीएलके शून्य से एक तक जाता है, तो एक रीसेट होता है, और एकता से शून्य तक - एक उपयोगी संकेत जारी करता है।
और SHSW इनपुट पर शून्य पर, अंतर्निहित नमूना-भंडारण सर्किट चालू होता है, जो इस सिग्नल को एक सरल चरण-दर-चरण वीडियो सिग्नल को सरल करता है, जहां सीएलके के प्रत्येक नए संक्रमण के साथ शून्य, अगले पिक्सेल का सिग्नल स्तर बस दिखाई देता है और सीएलके सिग्नल की पूरी अवधि के लिए आयोजित किया जाता है।
आउटपुट सिग्नल की उपयोगी सीमा एक निश्चित अंधेरे स्तर से आती है, जो डेटाशीट के अनुसार 2.85 V है, लेकिन वास्तव में यह अलग हो सकता है (मेरी लाइन में - लगभग 3 V), और जब संतृप्त होता है, तो आउटपुट सिग्नल का स्तर 1.5-2 तक गिर जाता है वी
सामान्य तौर पर, इस लाइन के बारे में हमें बस इतना ही पता होना चाहिए।

समावेश सर्किट


यह सरल और स्पष्ट है। हम क्रमिक रूप से MKK का उपयोग करके CLK और ROG सिग्नल उत्पन्न करते हैं, और इनपुट पर ट्रिगर्स 3.3 V से 5 V पर स्विच करने का सबसे सरल तरीका है। तथ्य यह है कि लाइन में इन लाइनों में कोई बफ़र नहीं हैं, और मैट्रिक्स सर्किट के लिए सही तरीके से काम करने के लिए आपको उन्हें शून्य से पांच वोल्ट तक के पूर्ण पैमाने और मोर्चों की एक अच्छी स्थिति के साथ एक मेन्डंडर प्रस्तुत करने की आवश्यकता है। चित्र में इंगित NC7SZ14M5X बहुत सुविधाजनक सिंगल श्मिट हैं जो खड़ी मोर्चों और बढ़ी हुई भार क्षमता के साथ ट्रिगर को प्रभावित करते हैं, और मैं अक्सर अपनी परियोजनाओं में उनका उपयोग करता हूं।
DA1 का उपयोग, लाइनअप से वीडियो सिग्नल स्तर "एडीसी" को उस सीमा तक बढ़ाता है जिसमें एडीसी संचालित होता है, जबकि संतृप्ति स्तर के अनुरूप लगभग 1.5 V का "स्टैंड" हटा दिया जाता है। चूंकि सिग्नल आयाम और "स्टैंड" मूल्य के बीच का अंतर विभिन्न सीसीडी सरणियों के बीच बहुत भिन्न होता है, इसलिए प्रतिरोध रेंज R1 और R3 को आवश्यक सीमा में आउटपुट सिग्नल "बिछाने" द्वारा चुना जाना चाहिए। यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि न केवल विस्थापन, बल्कि लाभ भी आर 1 प्रतिरोध पर निर्भर करता है, इसलिए आपको पहले इसे चुनना होगा।
L1 और L2 फेराइट बीड्स हैं या 1-2 μG फ्रेम साइज 0805 या 0603 के लिए छोटे चोक हैं। रेसिस्टर्स और कैपेसिटर एक ही साइज के हैं। सर्किट को सतह पर बढ़ते द्वारा एक दो तरफा बोर्ड पर इकट्ठा किया जाता है। मैं बोर्ड लेआउट नहीं लाता, क्योंकि मेरे पास अभी भी बहुत सारी चीजें हैं।

एमके पर सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन

एमके कार्य आवश्यक अवधि के लिए एक उच्च-स्तरीय आरओजी सिग्नल (इनवर्टर के बारे में मत भूलना!) उत्पन्न करने के लिए है, फिर एक छोटी (3-10 μs) रोकें, और इसके बाद 2090 उच्च-स्तरीय दालों का एक क्रम अवधि में समान कारणों से अलग हो जाता है। इन दालों (या ठहराव) के दौरान, मोर्चे के कुछ समय बाद, पिक्सेल रोशनी का मूल्य ऑन-बोर्ड या बाहरी एडीसी का उपयोग करके लिया जाता है। फ्रेम को पढ़ने के बाद, आपको एक नया आरओजी पल्स - समान 3-10 μs तक रोकना होगा। सत्ता को चालू करने के बाद, और जैसा कि यह निकला, शासक के लंबे (100 एमएस से अधिक) गैर-उपयोग के बाद, आपको सीएलके को कुछ समय के लिए एक मुफ्त मानक पल्स ट्रेन लागू करके इसे "साफ" करने की आवश्यकता है।
STM32 पर, टाइमर अवरोध पर यह सब करना बुद्धिमानी है। एक टाइमर पिक्सेल आवृत्ति के अनुरूप आवृत्ति के साथ टाइमर उत्पन्न करने के लिए टाइमर सेट करके, हम प्रत्येक टाइमर ऑपरेशन को एक रुकावट में प्राप्त करते हैं, जहां हम वैकल्पिक रूप से शून्य या एक पोर्ट में आउटपुट करते हैं, और जब हम शून्य आउटपुट करते हैं, तो हम एडीसी से रीडिंग पढ़ते हैं। और 2090 चक्रों की गिनती के बाद, हम टाइमर बंद कर देते हैं। अगले फ्रेम को पढ़ने के लिए, आपको चक्र काउंटर को शून्य पर रीसेट करना होगा, टाइमर शुरू करना होगा और जब तक सब कुछ गिना नहीं जाता तब तक प्रतीक्षा करें।
कुछ इस तरह, जैसा कि इन कोड स्निपेट्स में दिखाया गया है।

bool clkState = false; bool frameOk = true; uint16_t pixCount = 0; uint16_t ccdFrame[2090]; inline uint16_t readADC1(void) //            { . . . } void Delay(unsigned int Val) //     { for( ; Val != 0; Val--) __NOP(); } void readCCD(void) //   - { pixCount = 0; //    frameOk = false; //   TIM_Cmd(TIM6, ENABLE); //   while(frameOk == false); // ,     } // ...    ... // void TIM6_IRQHandler(void) /*      -     CLK       */ { if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET) { if(clkState == true) //   (.0)      { clkState = false; GPIOB->ODR &= ~GPIO_ODR_ODR_1; //      Delay(3); //  ,        ccdFrame[pixCount] = readADC1(); } else //   (.1) { pixCount++; clkState = true; GPIOB->ODR |= GPIO_ODR_ODR_1; //      } if(pixCount >= 2090) //    ,      { pixCount = 0; frameOk = true; TIM_Cmd(TIM6, DISABLE); } TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update); } } 

और यहाँ परिणाम है
परिणाम बुरा नहीं है। इस तथ्य के बावजूद कि अंतर्निहित एडीसी अपनी विशेषताओं के साथ चमक नहीं देता है, इसकी शोर विशेषताओं पूरी तरह से सीसीडी लाइन के शोर के अनुरूप हैं। लगभग 1 एमएस के संचय समय के साथ अंधेरे संकेत के शोर मार्ग का आयाम ~ 3-4 मात्रा का स्तर बदल जाता है, और उत्कृष्ट विशेषताओं के साथ बाहरी 14-बिट एडीसी का उपयोग करते समय, परिणाम केवल थोड़ा बेहतर होते हैं। रोशनी में वृद्धि के साथ, एक साधारण कारण के लिए शोर बढ़ता है: प्रत्येक पिक्सेल में फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या इतनी बड़ी नहीं होती है (मेरी गणना के अनुसार, संतृप्ति पर लगभग 30 हजार)। सर्वोत्तम उपकरणों के लिए, यह मान 200 हजार तक पहुंचता है।
नीचे दिए गए चार्ट पर शासक द्वारा पंजीकृत एक "चित्र" का एक उदाहरण है, जिस पर प्रबुद्ध दीवार की पृष्ठभूमि के खिलाफ एक अंधेरे स्टैंड है, जिसके अंदर 1 सेमी के व्यास के साथ एक ग्लास खोखली गेंद काले समाधान से भरी हुई है। एक चोटी इस गेंद की बाहरी सतह से एक प्रतिबिंब है। उज्ज्वल क्षेत्रों में शोर दीवार की संरचना ही है, लेजर से धब्बों द्वारा प्रबलित, फ्रेम से फ्रेम तक यह स्थिर रहता है। असली लाइन का शोर बहुत कम है।


अन्य समान रेखाएँ
ILX511, ILX551 (उत्तरार्द्ध में एक अलग पिनआउट है) द्वारा कुछ अन्य 2048-पिक्सेल ब्लैक एंड व्हाइट सोनी सीसीडी लाइनों की आवश्यकता है और दो आपूर्ति वोल्टेज - 5 और 9 V की आवश्यकता होती है, जो अनुप्रस्थ पिक्सेल आकार (14 से 200 माइक्रोन) में भिन्न होता है, बिल्कुल उसी तरह से काम करता है। और वर्णक्रमीय संवेदनशीलता (ILX554A लाल है- और IR- संवेदनशील, सूचकांक B के समान IR क्षेत्र में संवेदनशीलता कम है और आंख की संवेदनशीलता के करीब है, और ILX511B अधिक नीला-संवेदनशील है)। उनकी गतिशील विशेषताएं अलग-अलग हैं: ILX551B की डायनामिक रेंज छोटे पिक्सेल आकार के कारण 6000 (हमारी रेखा लगभग 10 μs की छोटी शटर गति के साथ इस डीडी तक पहुंचती है)।

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यह लेख सीसीडी लाइन का उपयोग करने के लिए शायद सबसे आसान के कनेक्शन पर चर्चा करता है। यह सादगी इस तथ्य के कारण है कि हुड के नीचे सभी जटिलता छिपी हुई है। यदि यह बिल्ट-इन ड्राइवरों के लिए नहीं है, तो मुझे कई बहुस्तरीय सिग्नल उत्पन्न करने होंगे।
दुर्भाग्य से, आधुनिक मानकों के अनुसार, अंतर्निहित ड्राइवरों के साथ ऐसी सीसीडी लाइन में सबसे अच्छी विशेषताएं नहीं हैं। तो, इस पंक्ति में, डायनामिक रेंज, जिसे डार्क सिग्नल को संतृप्ति सिग्नल के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है, 333: 1 है, और शोर की पृष्ठभूमि के खिलाफ पता चला न्यूनतम सिग्नल के संतृप्ति सिग्नल के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है - लगभग 1000: 1। लेकिन इस तरह के उपकरणों का उपयोग करना न केवल मुश्किल है, बल्कि अक्सर उपयोग करना मुश्किल है (इन उत्पादों के दोहरे उद्देश्य के कारण इसके सीसीडी सरणियों और अन्य फोटोडेटेक्टर्स को खरीदते समय एक ही हमामत्सु को जटिल नौकरशाही औपचारिकताओं की आवश्यकता होती है)। हालांकि, ऐसे उच्च प्रदर्शन की हमेशा आवश्यकता नहीं होती है, और कई उद्देश्यों के लिए इन उपकरणों के पैरामीटर काफी स्वीकार्य हैं।